光纤Fabry-Perot位移传感器的研究

论文摘要

光纤法布里—珀罗（F-P）传感器是当前光纤传感器研究领域的一个重要分支。光纤F-P传感器具有体积小、分辨率高、灵敏度高、耐高温、良好的可靠性和灵活性等优点,还能够直接测量高温、高压、应变、振动及声波等多种参量,特别适用于石油化工、电力系统等恶劣环境下应用。本文以非本征型光纤法布里—珀罗（F-P）干涉传感器（EFPI）为研究对象,对传感器的基本工作原理、解调技术及实验验证作了深入、系统的研究。主要包括以下几个方面:第一,概述了光纤F-P传感器的基本原理,对非本征光纤F-P传感器和本征光纤F-P传感器的特点进行了比较。描述了两种常用的解调方法:强度解调法和波长解调法。第二,详细说明了光强解调的光纤F-P传感器的工作原理,包括它的工作范围以及初始腔长的确定,这两个方面共同决定了光强解调的光纤F-P位移传感器的工作区间位于线性段;根据对其所作的理论分析,对传感系统的性能进行数值模拟,得到线性度为99.8%的线性拟合曲线;对F-P传感器的腔内损耗进行了分析,对F-P腔的反射率进行了优化。第三,简要介绍了波长解调光纤F-P位移传感器的工作原理。波长解调系统使用的光源为SLD宽谱光源,通常光谱呈近似高斯分布。本文针对高斯分布光谱的光源,详细推导了由于实际光源产生的测量误差公式,提出了改进的光纤F-P位移传感解调方法。最后,设计了波长解调的F-P位移传感器,对提出的理论进行实验验证。我们在实验中发现:在反射镜位移0～60μm范围内,位移的测量计算值和实际值呈良好线性关系,证明我们提出的波长解调方法对高斯分布光谱的光源是适用的,我们的理论和实验结果对波长解调的F-P位移传感器是十分有用的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光纤传感器
• 1.2.1 光纤传感器的基本原理
• 1.2.2 光纤传感器的分类
• 1.2.3 相位调制型光纤传感器
• 1.2.4 光纤传感器研究的发展方向
• 1.3 光纤传感器的研究进展
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 论文的研究目的和内容
• 第二章 光纤F-P 传感器的基本原理
• 2.1 光纤F-P 传感器的干涉原理
• 2.2 光纤 F-P 传感器的分类
• 2.2.1 本征型光纤F-P 传感器
• 2.2.2 非本征型光纤 F-P 传感器
• 2.3 光纤F-P 传感器解调原理
• 2.3.1 强度解调法
• 2.3.2 波长解调法
• 第三章 光强解调F-P 位移传感器的理论分析与数值模拟
• 3.1 光纤位移传感器
• 3.2 光强解调光纤F-P 位移传感器的工作原理
• 3.3 初始腔长的确定
• 3.4 光强解调光纤F-P 位移传感器的模拟结果
• 3.5 传感器的损耗分析和腔面反射率的优化设计
• 3.5.1 空气间隙的损耗
• 3.5.2 腔面反射率的优化设计
• 第四章 波长解调F-P 位移传感器的理论分析与实验研究
• 4.1 波长解调F-P 位移传感器的工作原理
• 4.2 光源光谱呈高斯分布时F-P 传感器的传感特性
• 4.2.1 光源光谱呈高斯分布时的多光束干涉
• 4.2.2 光源光谱的高斯分布对光纤F-P 传感系统测量的影响
• 4.2.3 光源光谱呈高斯分布时F-P 传感系统的解调方法
• 4.3 实验系统与实验结果
• 4.3.1 实验装置
• 4.3.2 实验结果及误差分析
• 第五章 结论
• 5.1 本文的主要工作
• 5.2 本文的创新之处
• 5.3 今后工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果